L’imagerie acoustique : une technique en constante évolution pour visualiser et identifier les sources de bruit

COMMENT VOIR CE QU’ON ENTEND ?

Depuis les années 60, le bruit émis par les avions a été considérablement réduit grâce aux technologies de plus en plus silencieuses développées pour les moteurs mais aussi pour la cellule, le train d’atterrissage et les voilures hyper-sustentées. Depuis le début des années 2000, la réduction des nuisances sonores autour des aéroports portent également sur les procédures à moindre bruit et les restrictions horaires du trafic mais les avionneurs et les motoristes poursuivent les efforts pour réduire le bruit à la source. Naturellement, la localisation, la caractérisation et la hiérarchisation des sources de bruit les plus bruyantes au niveau de l’avion sont des axes de travail indispensables pour lesquels l’imagerie acoustique apporte de précieuses informations.

Une des premières techniques utilisées consiste à focaliser les ondes acoustiques à l’aide d’un miroir acoustique de forme ellipsoïdale qui agit comme une lentille convergente en optique. La mesure s’effectue alors avec un microphone placé au foyer du miroir mobile qui est orienté mécaniquement vers la zone de bruit. La focalisation améliore le rapport signal sur bruit et le balayage permet d’identifier une direction privilégiée mais cette technique n’est pas très discriminante ni très précise. La méthode à deux capteurs permet, par l’analyse du retard de propagation entre les deux capteurs, de déterminer une direction privilégiée. Ce principe d’analyse “ stéréoscopique ” est équivalent à celui que notre cerveau utilise pour nous orienter vers une source de bruit que l’on veut localiser avec nos deux oreilles, le pavillon jouant le rôle focalisateur. C’est cet écart de quelques millisecondes perçu par nos tympans que notre cerveau analyse pour repérer un bruit dans l’espace. Certains animaux, comme le chat, ont des pavillons très focalisant et mobiles de surcroît, ce qui leur permet d’utiliser de manière efficace le principe du miroir précité.

Dans les années 80, les progrès en traitement numérique du signal ont permis de faire émerger les techniques de localisation telle que l’intensimétrie acoustique mais aussi et surtout les réseaux de capteurs. L’intensimétrie est basée sur la mesure de la pression acoustique en deux points. Les équations de l’acoustique linéaire permettent facilement d’obtenir la vitesse acoustique par calcul à partir de ces deux valeurs de pression. Le produit de ces deux grandeurs pression-vitesse, l’une mesurée et l’autre calculée, conduit à l’intensité acoustique qui est la grandeur vectorielle portant intrinsèquement une direction de propagation et un sens. De nombreux intensimètres ont vu le jour. Ils sont encore commercialisés et utilisés dans certaines branches de l’industrie mais ce sont les techniques de localisation par des antennes multicapteurs focalisées qui sont désormais les plus employées dans le domaine de la recherche aéronautique.

En général, ces réseaux de microphones sont implantés dans une atmosphère au repos. Quand il s’agit de caractériser des sources en présence d’écoulement en soufflerie anéchoïque, les maquettes sont placées dans la veine ouverte alors que l’antenne est située en dehors de l’écoulement. La propagation des ondes se fait donc en champ libre mais à travers une zone de mélange dont les effets sont pris en compte. Des techniques de localisation de sources peuvent également être appliquées dans des souffleries aérodynamiques à veine fermée, pour lesquelles la propagation n’est pas en champ libre. Afin de s’affranchir de la réverbération du son sur les parois, on utilise le pouvoir de séparation de l’antenne qui permet de discriminer les sources réelles et les sources images résultant des échos. Une approche plus précise consiste à intégrer dans le modèle de propagation les effets de réverbération, avec cependant comme inconvénient d’alourdir la charge de calcul pour la localisation des sources acoustiques. En extérieur, les antennes sont déployées au sol ou embarquées à bord des aéronefs. Suivant la situation, un traitement du signal spécifique est développé pour chaque configuration nouvelle. Ainsi, une antenne peut être installée en position fixe pour caractériser des sources elles-mêmes fixes ou mobiles. Elle peut être aussi embarquée à bord des aéronefs qu’il s’agisse d’avions et d’hélicoptères ou même à bord d’un lanceur spatial au décollage, cette “ première ” ayant été réalisée par l’ONERA lors du vol V503 Ariane 5 au début des années 2000. Pour terminer ce panorama, on peut citer aussi les méthodes holographiques qui consistent à caractériser, par méthode inverse, les propriétés des mécanismes générateurs en utilisant des techniques de rétro-propagation à partir d’un réseau de capteurs entourant une source de bruit.

CHAQUE TECHNIQUE D’IMAGERIE ASSOCIE UN RESEAU DE CAPTEURS ET UNE METHODE DE TRAITEMENT DES SIGNAUX

La technique de localisation des sources de bruit à l’aide de réseau de microphones s’est développée à partir du début des années 80 et repose sur un enregistrement synchrone de ces signaux. L’augmentation des capacités d’enregistrement et de numérisation des signaux a permis de mettre en œuvre des réseaux de plusieurs dizaines de capteurs. Cela a permis d’accroitre les performances de la localisation et d’autoriser le développement de cette technique pour les essais en vol. Bien entendu, le développement des méthodes de traitement du signal et celui des moyens matériel s’est fait dans le même temps. Aujourd’hui on est capable de traiter des antennes avec plusieurs centaines de microphones.

La méthode la plus couramment employée pour la localisation des sources de bruit est appelée “ formation de voies ” (BeamForming en anglais). Cette méthode robuste consiste à corriger chaque signal microphonique du temps de propagation estimé à partir d’un point source supposé. La sommation de ces signaux atteint un maximum lorsque ceux-ci sont en phase, ce qui est obtenu pour la position réelle de la source. Cette méthode largement utilisée est applicable en temporel ou dans le domaine fréquentiel pour des sources stationnaires. Sa limitation vient principalement de sa résolution spatiale limitée notamment en basses fréquences et de la présence de lobes secondaires élevés due à la fonction de réponse du réseau à un point source. En hautes fréquences, la limitation est liée à l’espacement entre les microphones qui conditionne le repliement spatial. Comme dans le domaine temporel, il faut respecter un critère de Shannon spatial. Ces deux paramètres, ouverture angulaire et espacement entre microphones, permettent de dimensionner les caractéristiques de l’antenne suivant la nature des sources acoustiques à étudier.

Depuis les années 90, de nouvelles méthodes ont vu le jour pour améliorer les performances du traitement par formation de voies en termes de résolution et de dynamique. Pour caractériser et discriminer les sources avec précision, il s’agit non seulement d’avoir leurs positions mais aussi leurs amplitudes. L’hypothèse couramment employée consiste à représenter les sources par des monopoles décorrélés et spatialement séparés au sens de la réponse du réseau. On peut également citer les travaux de Georges Elias à l’ONERA relatifs à une méthode pour le traitement de réseau en croix (2 axes d’une surface) qui permet d’obtenir des performances équivalentes à celles obtenues avec un réseau maillant toute la surface. Le gain en terme de capteurs est considérable (2n microphones au lieu de n²).
Pour résoudre ce problème inverse (déconvolution) en améliorant la dynamique et la résolution spatiale, les acousticiens ont développé des méthodes avancées de traitement du signal. Ainsi, la méthode CLEAN, mise en place par le NLR, consiste à déterminer la source principale par formation de voies puis à retrancher de la matrice interspectrale des signaux mesurés sa contribution convoluée à la réponse de l’antenne. L’application itérative de ce procédé permet d’estimer l’amplitude des sources de bruit. Une autre approche, entreprise à l’ONERA (SEM) et à la NASA (DAMAS), ne consiste plus à traiter le problème source par source mais à le traiter en tenant compte globalement de toutes les sources possibles, supposées monopolaires. Le problème inverse est alors résolu en minimisant l’écart entre la matrice interspectrale mesurée grâce à l’antenne et celle modélisée en considérant un maillage de sources possibles et en intégrant la fonction de propagation du milieu entre ces sources supposées et la position des microphones. Le système comporte généralement beaucoup plus d’inconnues que d’équations (nombre de microphones) et n’a donc pas une solution unique. Des contraintes sont donc ajoutées pour converger vers la solution physique. Une alternative à ces deux modèles a été proposée par le DLR avec la méthode SODIX dont la résolution est proche de la SEM et qui suppose des sources décorrélées avec une directivité attribuée à chacune d’entre elles. D’autres méthodes ou variantes de celles-ci existent, le lecteur pourra se reporter à la référence [1] pour approfondir le sujet. 

Pour accompagner les méthodes et optimiser leur précision, plusieurs géométries d’antenne sont étudiées. Les plus répandues aujourd’hui sont de plusieurs natures : distribution des microphones aléatoire et optimisée en fonction de la configuration à étudier, antennes multibras droits ou courbés comprenant des microphones régulièrement espacés ou espacés suivant une loi géométrique. Sur le plan matériel, il est important de veiller à ce que les différences de phases entre les voies soient très faibles ou parfaitement calibrées. Pour estimer avec précision l’amplitude des sources, le montage des microphones dans la structure de l’antenne doit être particulièrement soigné et les éventuels effets de réflexion et de diffraction sur les supports doivent être traités. Pour les mesures en veine fermée, l’implantation des microphones en ras de paroi fait l’objet d’une attention particulière. Les microphones sont soumis aux fluctuations de pression de la couche limite turbulente qui se développe sur les parois. Par traitement du signal, on peut réduire l’influence de ces composantes hydrodynamiques parasites en ne prenant pas en compte les autospectres de la matrice interspectrale des signaux recueillis. Cette technique, connue sous le nom Diagonal Removal (DR), utilise le fait que ces fluctuations convectives ont des échelles de corrélation bien plus petites que celles d’origine acoustique et sont donc filtrées par les interspectres. Pour réduire les fluctuations convectives hydrodynamiques avant l’acquisition des signaux, on peut aussi agir en montant les microphones en retrait d’une membrane acoustiquement transparente mais aérodynamiquement rigide.

DE NOUVEAUX DÉVELOPPEMENTS POUR MIEUX VOIR CE QU’ON ÉCOUTE

Depuis les années 90, les techniques d’imagerie se sont considérablement développées, tant sur la partie expérimentale mettant en œuvre des dizaines de microphones voire quelques centaines, que sur les méthodes avancées de traitement des signaux.   Ces méthodes d’identification de sources acoustiques sont de plus en plus utilisées, que ce soit dans le cadre de recherche amont ou dans un cadre industriel. Ces techniques sont parfois  mises en œuvre dans des environnements de propagation très  complexes ce qui conduit à développer des méthodes d’analyse novatrices. Elles ne permettent pas une compréhension complète des mécanismes générateurs mais les progrès réalisés depuis une décennie confèrent à ces outils de diagnostic un rôle de plus en plus prépondérant dans les approches expérimentales utilisées par les aéroacousticiens.  A l’avenir, les progrès porteront certainement sur les modèles de sources et sur les modèles de propagation des ondes associées. La partie instrumentation de l’antenne elle-même verra probablement de nouvelles formes de réseaux de capteurs, ces derniers faisant l’objet aussi de développements adaptés à la configuration d’utilisation, surtout en présence d’écoulement. On peut aussi s’attendre à des gains importants en termes de temps de restitution grâce à la performance croissante des algorithmes de résolution. Ainsi, la prochaine décennie verra certainement l’avènement d’antennes plus résolutives spatialement et adaptées à la caractérisation de sources acoustiques complexes dans un domaine à trois dimensions.

[1] A Review of Acoustic Imaging Methods Using Phased Microphone Arrays. Part of the “Aircraft Noise Generation and Assessment” CEAS Aeronautical Journal, Special Issue (To be published)

Les auteurs remercient Georges Elias et Sandrine Fauqueux pour leurs remarques.